KR102506909B1 - 내연 기관의 회전수 제어를 실행하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차용 구동 시스템(1)의 작동 방법에 관한 것이며, 상기 방법은
- 하나 또는 복수의 제어 매개변수(kp, ki)에 따라 구동 시스템(1)의 구동 엔진(2)의 회전수 제어를 실행하는 단계;
- 구동 시스템의, 제어 거동에 영향을 미치는 하나 이상의 순간 시스템 매개변수를 산출하는 단계;
- 하나 이상의 시스템 매개변수에 따라 하나 또는 복수의 제어 매개변수(kp, ki)를 매칭하는 단계;를 포함한다.

Description

내연 기관의 회전수 제어를 실행하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CARRYING OUT A SPEED CONTROL OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관과, 특히 내연 기관의 회전수 제어를 위한 수단에 관련된다.
대개, 자동차의 내연 기관은 가속 페달 위치를 통해 사전 설정되는 운전자 요구에 따라 구동된다. 예를 들어, 디젤 엔진에서 이러한 운전자 요구는 분사될 연료량으로 환산되며, 운전자 요구를 통해 엔진 토크가 결정되고, 순간 부하 토크에서 내연 기관의 회전수가 얻어진다. 특정 차량 상태에서, 특히 파워트레인 내 클러치가 개방되고 그리고/또는 기어가 체결되지 않고 그리고/또는 가속 페달이 사전에 결정된 낮은 회전수 영역에서 작동하지 않을 때, 내연 기관의 회전수를 사전 설정된 목표 회전수로 설정하는 회전수 제어가 활성화된다.
대개, 회전수 제어는 PI-제어기 또는 PID-제어기 구조를 갖고, 제어 매개변수들은 개별 기어단, 차량 상태, 주행 상황, 주변 조건별로 구성되고, 상응하는 특성도 내에 저장된다. 그러나, 이러한 방식은 응용 비용을 높이는데, 이는 특성도들이 내연 기관 및 차량의 각각의 버전에 대해 개별적으로 결정되어야 하기 때문이다. 회전수 제어의 구성을 위해 추가의 수단들이 제공될 때, 이러한 응용 비용은 추가로 높아지며, 이러한 추가의 수단들은 예를 들어 명령 거동을 개선하거나, 회전수의 오버슈트 또는 언더슈트가 최소화되도록 개회로 제어 작동과 폐회로 제어 작동 간 전환 과정에 영향을 주는데 사용된다.
공보 DE 10 2005 039 758 A1호에는 엔진의 작동 방법이 공지되어 있으며, 이러한 방법에서는 회전수가 목표 회전수에 따라 조절되고, 회전수와 목표 회전수간 제어 편차에 따라 제어 요소를 이용하여 엔진의 구동을 위한 목표 토크가 산출된다. 특히 측정 불가능한 방해 변수를 나타내는 방해 토크가 예측되고, 엔진 구동을 위해 사용되는 제어 토크가 목표 토크 및 방해 토크에 따라 산출된다.
본 발명에 따라, 청구항 제1항에 따른 내연 기관의 회전수 제어를 실행하기 위한 방법과, 종속 청구항들에 따른 내연 기관을 구비한 엔진 시스템이 제공된다.
추가의 실시예들은 종속항들에 언급된다.
제1 개념에 따라, 자동차용 구동 시스템의 작동 방법이 제공되며, 이러한 방법은
- 하나 또는 복수의 제어 매개변수에 따라 구동 시스템의 구동 엔진의 회전수 제어를 실행하는 단계;
- 구동 시스템의, 제어 거동에 영향을 미치는 하나 이상의 순간 시스템 매개변수를 산출하는 단계;
- 하나 이상의 시스템 매개변수에 따라 하나 또는 복수의 제어 매개변수를 매칭하는 단계;를 포함한다.
회전수 제어의 설계시, 제어 매개변수, 특히 P-상수 및 I-상수는 목표 회전수의 신속한 달성을 위한 충분한 다이내믹과 오버슈트를 방지하기 위한 충분한 안정성 간의 절충안에 기초한다. 특히 파워트레인의 관성 질량이 변화하고 그리고/또는 부하 토크가 변화할 때, 기존에 사용된 제어 매개변수들은 다이내믹 또는 안정성에 있어서의 단점을 수반할 수 있다. 따라서, 전술한 방법은, 부하 토크 및/또는 관성 질량에 따라 선택되는 가변적으로 매칭 가능한 제어 매개변수들에 의해 회전수 제어를 실행하도록 한다. 따라서, 이러한 모델에 기반한 방식을 통해, 제어 함수는 시스템 매개변수인 부하 토크 및 관성 질량에 직접적으로 좌우된다. 시스템 매개변수가 주행 작동 중에 다른 주변 조건 또는 부품의 노후화를 통해 변화하면, 이는 전술한 방법을 통해 직접적으로 제어 매개변수들 내에서 고려된다. 따라서, 각각의 주행 상황에 대해, 그리고 노후화에 따른 구동 시스템의 변화 시에도 동일한 제어 성능이 보장될 수 있다. 구동 시스템의 현재의 우세한 시스템 매개변수에 제어 매개변수들을 매칭함으로써, 회전수 제어의 응용을 위한 초기 비용은 확실히 최소화되는데, 이는 개별적인 제어 매개변수들이 적응 방법을 통해 자동으로 결정될 수 있기 때문이다.
회전수 제어를 위한 이러한 모델에 기반한 방식에, 파워트레인의 시스템 매개변수를 결정하기 위한 결정 유닛을 보완함으로써, 회전수 제어를 차량별로 실행하는 것이 가능하다. 이러한 설정은 실시간으로 실행되므로, 예를 들어 부가 장치가 결합될 때, 기어단이 변경될 때 등의 부하 토크와 같이, 시스템 매개변수가 신속하게 변화할 때도 회전수 제어의 매칭이 실행될 수 있다. 이와 같이 파워트레인에 미치는 영향에 의한 시스템 매개변수; 그리고 노후화가 증가함에 따라 마모 및 소모 효과에 의해 천천히 변화하는 시스템 매개변수;가 균등하게 고려된다. 또한, 전술한 방법을 통해서는 동일한 제어 성능을 달성하기 위해 제어 매개변수들이 부품들의 교체 이후 변화된 시스템 매개변수에 신속하게 그리고 자동으로 매칭될 수 있다. 또한, 회전수 제어를 위한 시스템 매개변수의 예측은 진단도 가능하게 하는데, 이는 제어 매개변수들 또는 시스템 매개변수들의 급격한 변화는 파워트레인의 하드웨어 문제를 암시할 수 있기 때문이다.
또한, 회전수 제어는 예를 들어 PI-제어 또는 PID-제어를 포함할 수 있으며, 이때 하나 또는 복수의 제어 매개변수는 회전수 제어를 위한 비례 상수 및/또는 적분 상수를 포함한다. 대안적으로, 다른 제어기 구조, 예를 들어 구조 가변형 제어기도 사용될 수 있다.
특히, 하나 또는 복수의 제어 매개변수는 참조표(look-up-table) 또는 사상 함수에 상응하게 하나 이상의 시스템 매개변수에 따라 결정될 수 있다.
추가 실시예에 따라, 하나 이상의 시스템 매개변수는 관성 질량 토크 및/또는 부하 토크를 포함할 수 있다.
하나 이상의 시스템 매개변수의 산출이 규칙적으로, 사전에 결정된 시점에, 그리고/또는 구동 시스템의 클러치 및/또는 변속기의 상태 변화 시에 실행되는 것이 가능하다.
추가의 개념에 따라, 자동차용 구동 시스템의 작동 장치가 제공되며, 이러한 장치는
- 하나 또는 복수의 제어 매개변수에 따라 구동 시스템의 구동 엔진의 회전수 제어를 실행하고;
- 구동 시스템의, 제어 거동에 영향을 미치는 하나 이상의 순간 시스템 매개변수를 산출하고;
- 하나 이상의 시스템 매개변수에 따라 하나 또는 복수의 제어 매개변수를 매칭하기 위해; 형성된다.
실시예들은 첨부 도면들에 의해 하기에 더 상세히 설명된다.
도 1은 내연 기관, 파워트레인, 및 제어 장치를 구비한 엔진 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 시스템 매개변수 예측을 위한 유닛에 의한 회전수 제어를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1은 특히 내연 기관으로서 뿐만 아니라 하이브리드 구동 장치로서도 형성될 수 있는 구동 엔진(2)을 구비한 구동 시스템(1)을 개략적으로 도시한다. 구동 시스템(1)은 자동차의 구동에 사용된다. 구동 엔진(2)은 연료 공급식 내연 기관, 특히 디젤 엔진으로서 또는 공기 공급식 내연 기관, 예를 들어 가솔린 엔진으로서 설계될 수 있다.
구동 엔진(2)은 제어 장치(3)에 의해, 공지된 방식으로 엔진 토크(M엔진)를 제공하기 위해 구동된다. 이러한 구동은 분사될 연료량의 사전 설정을 통해 또는 실린더의 연소실 내로 공급될 공기 유동량의 사전 설정을 통해 실행된다. 이러한 구동은 엔진 상태 매개변수의 측정을 통해 그리고 적합한 액츄에이터, 특히 스로틀 밸브(미도시) 및 연료 분사 밸브의 설정을 통해 공지된 방식으로 실행된다.
구동 엔진(2)은 크랭크축(4)을 통해 엔진 토크를 제공한다. 크랭크축(4)은 클러치(5)를 통해 변속기(6)와 연결되므로, 변속기(6)의 출력측에서 차륜 구동 토크가 제공된다. 변속기(6)는 선택된 기어단에 따라 상이한 변속비를 가질 수 있고, 무부하로 전환될 수 있으며, 무부하에서 구동 엔진(2)과 차륜들 사이의 파워트레인은 개방된다.
엔진 토크를 제공하기 위해, 제어 장치(3)는 구동 엔진(2)을 가속 페달(7)의 가속 페달 위치에 따라 구동할 수 있다. 대안적인 작동 상태에서, 제어 장치(3)는 하기에 더 상세하게 설명되는 회전수 제어를 실행할 수 있다.
회전수 제어는 개방된 클러치(5)[클러치 신호(KS)를 통해 지시됨] 또는 선택적으로 변속기(6)의 중립 위치[변속기 신호(GS)를 통해 제공됨]를 통해 활성화될 수 있는 구동 시스템 상태들에서 활성화된다. 또한, 회전수 제어는 클러치(5)가 개방되거나 체결되는지 그리고/또는 중립 위치 또는 기어단이 선택되는지 여부와는 관계 없이, 운전자에 의한 가속 페달(7)의 작동이 이루어지지 않을 때 활성화된다.
구동 시스템 상태에 따라, 구동 엔진(2)의 크랭크축(4)에는 회전수 제어의 다이내믹 또는 안정성에 현저한 영향을 미치는 상이한 관성 질량 토크 및 부하 토크가 작용한다. 이와 같이, 선택된 기어단/중립 위치는 클러치(5)가 개방/체결될 때, 경우에 따라서는 예를 들어 공조 압축기, 발전기 등과 같은 부가 장치가 연결될 때 파워트레인의 상이한 관성 질량 토크 및 부하 토크를 유도할 수 있다. 제어 장치(3) 내에서 실행되는 회전수 제어는 도 2의 기능도에 상응한다.
제어될 구동 시스템(1)은 제어 경로 블럭(21)을 통해 도시된 시스템 거동을 갖는다. 구동 시스템(1)에는 구동 엔진(2)에 의해 제공된 엔진 토크(M엔진)를 통해 보상될 부하 토크(M부하)가 작용한다. 또한, 시스템 매개변수들 중 하나의 시스템 매개변수는 관성 질량 토크(J구동)에 상응하므로, 시스템 거동이 결정된다. 산출 블럭(22)에서는 회전수 곡선 및 순간 엔진 토크(M순간)에 기초하여, 예측 관성 질량 토크(J예측) 및/또는 예측 부하 토크(M부하_예측)가 산출되어, 제어 매개변수-매칭 블럭(24)에서 제공된다.
이 경우, 엔진 토크(M엔진)의 변화가 현재의 실제 회전수(n실제)의 회전수 변화에 얼마나 신속하게 영향을 미치는 지에 대한 방식은 결정적으로 파워트레인의 관성 질량(J구동)에 좌우된다. 마찬가지로, 당연히 부하 토크(M부하)는 내연 기관(2)의 가속을 위해 제공되는 유효 엔진 토크를 감소시킨다. 이에 따라, 이러한 시스템 매개변수는 결정적으로 회전수 제어의 적응을 위한 역할을 수행한다. 추가적으로, 시스템 매개변수로서는 관성 질량 및 부하 토크 외에 파워트레인을 위한 또 다른 매개변수, 예를 들어 스프링 상수 또는 감쇠 상수가 결정될 수 있다.
제어 매개변수-매칭 블럭(24)은 예측 관성 질량 토크(J예측)와 경우에 따라서는 예측 부하 토크(M부하_예측)에, 회전수 제어를 위한 제어 매개변수를 할당한다. 예를 들어 PI-제어가 사용되면, 제어 매개변수들은 비례 상수(kp) 및 적분 상수(ki)이다.
제어 매개변수들은 제어 블럭(23)에 제공된다. 제어 블럭(23)은 현재의 실제 회전수(n실제) 및 사전 설정된 목표 회전수(n목표)에 따라, 구동 엔진(2)이 구동되도록 하는 제어 토크(M제어)의 제공을 통해 제어를 실행한다. 구동을 통해서는 대개 제어 토크(M제어)에 상응하는 엔진 토크가 얻어진다. 회전수 제어(23)는 본 실시예에서 PI-제어로서 구현된다. 대안적으로, 회전수 제어는 마찬가지로 PID-제어로서 구현되거나 다른 제어기 구조, 예를 들어 구조 가변형 제어기 구조로 구현될 수 있다.
회전수 제어는 감산 부재(231)에서 산출된, 실제 회전수(n실제)와 목표 회전수(n목표) 간 회전수 편차에 기초한다. 이는 비례 부재(232)에 공급되고, 여기서 회전수 편차에 비례 상수(kp)가 곱해져서 합산 부재(233)에 공급된다. 또한, 회전수 편차는 적분 상수(ki)를 곱하기 위한 제2 곱셈 부재(234)에 공급되고, 결과값은 적분 부재(235)에서 시간 적분된다. 적분 결과값은 합산 부재(233)에 공급된다. 합산 결과값은 조절 토크(M조절)에 대한 정보를 나타낸다.
후속하는 합산 부재(236)에서는 제어 토크(M제어)를 얻기 위해, 조절 토크(M조절) 및 예측 부하 토크(M부하_예측)가 합산된다.
비례 상수 및 적분 상수(kp, ki)의 선택은 가변적이고, 제어 매개변수-매칭 블럭(24)에서 예측 관성 질량 토크(J예측)에 따라 설정된다.
시스템 매개변수가 변화할 때 계속적으로 동일한 제어 성능을 달성하기 위해, 제어 매개변수들은 제어 매개변수-매칭 블럭(24)에 의해 매칭된다. 제어 매개변수들의 매칭은 사상 함수 또는 참조표 등에 의해 실행되며, 제어 매개변수들, 즉 예를 들어 비례 상수(kp) 및 적분 상수(ki)는 예측 관성 질량 토크(J예측)에 따라 결정된다. 가능한 사상 함수는 예를 들어 하기 수학식과 같을 수 있으며,
Figure 112018072922533-pat00001
이 경우, k p,0 및 k i = k i,0 는 경험적으로 산출되거나 사전 설정될 수 있다.
관성 질량 토크의 예측(J예측) 및 부하 토크의 예측(M부하_예측)은 하기와 같은 수학적 모델에 기초하여 실행된다.
Figure 112018072922533-pat00002
산출 블럭(22)은 관성 질량 토크(J예측) 및 부하 토크(M부하_예측)를 실시간으로 또는 적어도 설정된 작동 상황에서 업데이트하는 것을 가능하게 한다. 이를 위해, 엔진 토크(M 엔진 ), 실제 회전수(N), 및 연산된 가속도로부터 수학적 모델을 위한 모델 매개변수를 연산할 수 있는 귀납적 매개변수 예측기가 사용될 수 있다.
이를 위해, 엔진 토크와 실제 회전수는 노이즈 효과를 최소화하기 위해 예를 들어 1차 저역 통과 필터에 의해 평활화된다. 가속도는 예를 들어 1차 고역 통과 필터에 의해 연산된다.
Figure 112018072922533-pat00003
매개변수 예측 방법을 위한 알고리즘의 가능한 구현은 하기에 설명된다. 이를 위해, 수학적 모델은 하기식과 같이 바꾸어 표현할 수 있다.
Figure 112018072922533-pat00004
공분산 행렬(P)은 2개의 대각 요소들, 즉 trP/2를 갖는 대각 행렬로서 초기화되며, 이때 trP는 초기 수렴 속도를 조절하는 매개변수이다. 명목 매개변수들(θ명목)을 알고 있다면, 이러한 값으로의 매개변수 벡터의 초기화를 통해, 마찬가지로 온라인-매개변수-식별 알고리즘의 초기 수렴이 가속될 수 있다.
Figure 112018072922533-pat00005
알고리즘의 제1 단계에서는, 온라인-식별을 위해 필요한 입력값의 벡터[ Ψ (k)]가 연산된다. 제어 변수의 모델값[M 엔진 , 모델 (k)]은 모델의 이항된 기존 매개변수 벡터[ θ (k-1)]와 입력값 벡터[ Ψ (k)]의 곱으로부터 연산된다. 모델 에러[ε(k)]는 제어 변수[M 엔진 (k)]와 제어 변수의 모델값[M 엔진 , 모델 (k)] 간 편차로부터 연산된다. 이러한 알고리즘의 나머지는 망각 계수에 의한 고전적 RLS-방법에 기초한다.
망각 계수(λ)는 기존 측정값들을 망각하기 위해 사용되며, 이로 인해 시변 매개변수들이 추적될 수 있다.
망각 계수를 이용한 RLS-알고리즘을 사용하는 대신에, 다른 매개변수 예측 방법들 또는 그 변형들, 예를 들어 경사법(gradient method) 또는 경사 하강법(the steepest descent method)이 사용될 수 있다.
산출 블럭(22)에서의 시스템 매개변수들의 예측은 충분한 회전수 변화가 실행될 때마다 활성화될 수 있다. 그렇지 않으면, 예측 관성 질량 토크(J예측)와 예측 부하 토크(M부하_예측)는 제어 매개변수들(kp, ki)의 변화를 야기하지 않도록 일정하게 유지된다.
대안적으로, 시스템 매개변수(J예측, M부하_예측)를 산출하기 위해 모델 밸런싱 방법이 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 자동차용 구동 시스템(1)의 작동 방법이며, 상기 방법은
    - 하나 또는 복수의 제어 매개변수(kp, ki)에 따라 구동 시스템(1)의 구동 엔진(2)의 회전수 제어를 실행하는 단계;
    - 구동 시스템의, 제어 거동에 영향을 미치는 하나 이상의 순간 시스템 매개변수를 산출하는 단계;
    - 하나 이상의 시스템 매개변수에 따라 하나 또는 복수의 제어 매개변수(kp, ki)를 매칭하는 단계;를 포함하고,
    하나 이상의 시스템 매개변수는 예측 관성 질량 토크(J예측) 및/또는 예측 부하 토크(M부하_예측)를 포함하고,
    하나 또는 복수의 제어 매개변수는 회전수 제어를 위한 비례 상수(kp) 및 적분 상수(ki)를 포함하고,
    산출 블럭(22)에서 예측 관성 질량 토크(J예측)가 산출되어, 제어 매개변수-매칭 블럭(24)에 제공되고,
    제어 매개변수-매칭 블럭(24)에서 비례 상수(kp) 및 적분 상수(ki)는 예측 관성 질량 토크(J예측)에 따라 결정되는,
    자동차용 구동 시스템의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 회전수 제어는 PI-제어, PID-제어, 또는 구조 가변형 제어를 포함하는, 자동차용 구동 시스템의 작동 방법.
  3. 제2항에 있어서, 하나 또는 복수의 제어 매개변수(kp, ki)는 참조표 또는 사전 설정된 사상 함수에 상응하게 하나 이상의 시스템 매개변수에 따라 결정되는, 자동차용 구동 시스템의 작동 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 하나 또는 복수의 제어 매개변수는 예측 관성 질량 토크(J예측)에 선형 종속적으로 결정되는, 자동차용 구동 시스템의 작동 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 구동 엔진(2)의 구동을 위한 제어 변수(M제어)에 가산되어 고려되는, 구동 시스템(1)의 순간 부하 토크가 결정되는, 자동차용 구동 시스템의 작동 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 시스템 매개변수의 산출이 규칙적으로, 사전에 결정된 시점에, 그리고/또는 구동 시스템(1)의 클러치(5) 및/또는 변속기(6)의 상태 변화에 따라 실행되는, 자동차용 구동 시스템의 작동 방법.
  8. 자동차용 구동 시스템(1)의 작동 장치이며, 상기 장치는
    - 하나 또는 복수의 제어 매개변수(kp, ki)에 따라 구동 시스템(1)의 구동 엔진(2)의 회전수 제어를 실행하고;
    - 구동 시스템(1)의, 제어 거동에 영향을 미치는 하나 이상의 순간 시스템 매개변수를 산출하고;
    - 하나 이상의 시스템 매개변수에 따라 하나 또는 복수의 제어 매개변수(kp, ki)를 매칭하기 위해; 형성되고,
    하나 이상의 시스템 매개변수는 예측 관성 질량 토크(J예측) 및/또는 예측 부하 토크(M부하_예측)를 포함하고,
    하나 또는 복수의 제어 매개변수는 회전수 제어를 위한 비례 상수(kp) 및 적분 상수(ki)를 포함하고,
    산출 블럭(22)에서 예측 관성 질량 토크(J예측)가 산출되어, 제어 매개변수-매칭 블럭(24)에 제공되고,
    제어 매개변수-매칭 블럭(24)에서 비례 상수(kp) 및 적분 상수(ki)는 예측 관성 질량 토크(J예측)에 따라 결정되는,
    자동차용 구동 시스템의 작동 장치.
  9. 프로그램 코드 수단을 구비한 컴퓨터 프로그램이며, 상기 컴퓨터 프로그램은 기계 판독 가능한 메모리 매체에 저장되어 있고, 컴퓨터 유닛에서 실행될 때, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하도록 구성된, 프로그램 코드 수단을 구비한 컴퓨터 프로그램.
  10. 제9항에 따른 컴퓨터 프로그램이 저장된, 기계 판독 가능한 메모리 매체.
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